Welding of Copper and Copper Alloys by Yasuhiro Nishio, Takashi Ohmae and Yasuhiro Fukaya

銅 お よ び 銅 合 金 の 溶 接

西

尾

安

弘

大

前

堯

深 谷

保

博

Welding

of Copper

and

Copper

Alloys

by Yasuhiro Nishio,

Takashi Ohmae

and Yasuhiro Fukaya

1.ま え が き 銅 は 電 気 お よび 熱伝 導 度 が良 好 で,海 水 や 多 くの薬 液 に対 す る耐 食 性 が 良 い の で,こ の特 性 を 生 か し,従 来 か ら電 気 あ る い は耐 食 用 材 料 として 広 く使 用 され て い る. しか し,純 銅 は 低 強 度 で あ る ので,構 造 用 に は,こ の 欠 点 を 補 ったAI,Ni,Znな どの合 金元 素 を適 量 添加 し た 各 種 の銅 合 金が 開 発 され,種 々の 用途 に 応用 さ れ て い る. 銅 お よび 銅 合 金 の溶 接 に つい て は,古 くか ら種 々 の研 究 が な され,現 在 被 覆 ア ー ク溶 接,不 活 性 ガ ス ア ー ク溶 接,潜 弧 溶 接 を始 め エ レ ク トロ ・ス ラ グ溶 接,爆 発 圧 接 な どの 各 種 の 溶 接 法 が 活 用 され て い る. しか し,こ れ ら の溶 接 に は,難 解 な 問 題 が 多 い の で, 健 全 な溶 接 を行 な う には物 理 的 な らび に 冶 金 的諸 特 性 を じゆ う分 熟 知 の上,対 処 す る必 要 が あ る. 本 稿 は,銅 お よ び銅 合 金 の溶 接 冶 金 上 問 題 とな る諸 点 と溶 接 施 工 上 注 意 を要 す る事頃 を主 体 に 概 説 す る. 2.種 類 と 性 質 2.1銅 純 銅 には,表―1の ご と く,少 量 の酸 素(0.01∼0.07 %)を 含 有 す る も の と ほ とん ど含 有 し な い 二 種 類 が あ る1). 前 者 は,タ フ ピ ッチ 銅(電 気 精 銅)と 呼 称 され,銅 中 の 酸 素 は 有 害 な元 素 を 酸 化 物 とす るの で,高 電 気 伝 導 度 表―1純 銅 を 有 し,電 気 機 器 に多 く使 用 され る.し か し,Cu-Cu2 O共 晶 が 存 在 す るた め高 温 水 素 や 炭化 水 素 な どの 雰 囲気 中 で は 水 素 侵 食 を起 し,溶 接 に当 って は,ブ ロー ホー ルや 割 れ な どの 欠 陥 を誘 発 す る欠 点 が あ る. 後 者 にはP,Siな どで 脱 酸 され,酸 素 量(0.008%以 下)が 比 較 的 少 な い脱 酸 銅 と水素 還元 法 あ る いは 真 空溶 解 法 に よ り製 造 され る無 酸 素 銅(O.F.H.C.)が あ る.こ れ らは,溶 接 性 が良 く,溶 接 構造 用 に適 す るが,脱 素銅 はP,Siな どが 銅 中 に 固 溶 して残 留 す る の で,電 気 伝 導 度 が 低 く,こ の 目 的 に は使 用 され な い 。 2.2銅 合金 銅 合 金 とい って も,多 種 多 様 の 合 金が あ り,利 用 目的 に よ って 加 工 用 銅合 金 と して 使 わ れ る も のや,鋳 造用 銅 合 金 と して 利 用 され る も の が あ る が,Cu-Al,Cu-Ni, Cu-Zn,Cu-Sn合 金 な どを主 体 に述 べ る. (1)Cu-Al系 実 用 され る加 工用 ア ル ミニ ウム 青 銅 と して は 組 織 上 か ら,次 の ご と く分類 さ れ る. (a)α ア ル ミニ ウ ム青 銅 A17∼8%以 下 の 均 一 α相 合 金 で,わ が 国 で は あま り 実 用 化 が 進 ん で い な い. (b)時 効 硬 化型 ア ル ミニ ウ ム青 銅 α相 溶 解 度 の 温 度 に ょ る変 化 を 利 用 して時 効 硬 化 させ た 合 金. (c)α+β'+X相 ア ル ミニ ウ ム青 銅 Al10%前 後 の もの に第 三 元 素 を 添 加 し,β→ α+γ2 の 共 析 変 態 を抑 制 して 自己焼 な ま し に よ る 脆 化 を 阻 止 し,同 時 に組 織 を微 細 化 して機 械 的性 質 を は じ め,耐 食 性,耐 熱 性,耐 磨 耗 性 を 改善 した合 金. こ れ らの うち,時 効 硬 化型 の も の と して は,飯 高 メタ ル(7%Al-5.5%Ni),CA合 金(3∼6%Al-2∼10% Ni-0.6∼2%Si-<2%Zn),エ ア ロ ブ ロ ンズ(4.5%Al-0.2%Ti-1.7%Si-1.0%Zn)な どが あ り,い ず れ も焼 入 れ,焼 戻 し処 理 が 行 な わ れ る.α+β'+X型 の もの と して は―2のJIS ABPな どが あ げ ら れ る が,溶 接 構 造 の と られ るの は この 種 合 金 が主 で あ る. 鋳 造 用 合 金 と して は 表―3のJIS,ALBCな ど が あ *原 稿 受 付 昭 和44年7月14日

**正 員 三 菱 重 工 業(株)Member _{, Mitsubishi Heavy} Industries Ltd.

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第38巻(1969)第9号971 表―2銅 合 金 の代 表 的 展 伸 材(JIS規 格) 表―3銅 合 金 の代 表 的鋳 物(JIS規 格) げ られ るが,鋳 物 の場 合 は冷 却 速 度 が遅 い こと か ら,自 己焼 な ま しを受 け て機 械 的性 質 が 劣 下 す るた め,Fe,Ni, Mn等 を添 加 して 機 械 的性 質 の改 善 を は か って い る. これ らCu-Al合 金 の特 徴 は 海水 に対 して す ぐれ た 耐 食 性 を示 す と共 に硫 酸 そ の 他 の酸,有 機 酸,塩 酸 な どの 腐食 に もよ く耐 え る こ とで 舶用 機 器 を は じめ とす る耐 海 水 機 器 や そ の他 各 種 の化 学 機 器 に使 用 され て い る.ま た 耐 磨 耗 性 に もす ぐれ る こと か ら,摺 動 合 金 と して使 用 さ れ る こ と も多 い. (2)Cu-Ni系 す べ て の割 合 い で 固 溶体 を形 成 す る代 表 的 な二 元 合 金 の一 つ で あ るが,Niを10∼30%含 有 す るキ ュ プ ロ ニ ッ ケ ル合 金 がよ く実用 され る.鋳 物 と して 実 用 さ れ る こ とは ほ と ん どな く,表―2のJIS CNPやCNTFの ご

と く展 伸 材 と して 使 わ れ た り,管 と し て 使 わ れ た りす る.こ のCu-Ni合 金 もCu-Al合 金 と ど うよ う に耐 海 水 材 料 と して 使 用 され る こ とが 多 く,こ と に近 年 い ち じ る し くな って き た汚 染 海 水 に対 す る腐 食 に す ぐれ る こと や,応 力 腐 食 割 れ に対 して 高 い抵 抗 性 を も つ点 な どに特 徴 を も って い る 。 また 高 温 に お け る強 さ も銅 合 金 の な か で は大 き い.こ う い った こ とか ら,熱 交 換 器 あ る い は, 蒸 発 缶 な どに 実 用 さ れ る, (3)Cu-Zn系 Cu-Zn合 金 に つ いて は,そ の成 分比 に よ り,色 々な 種 類 の もの が あ り,か つ,第 三 元素 を 添加 した もの を加 え る と相 当 数 に の ぼ る.す なわ ち,Zn量 の 変 化 に よ り, Tombac(10∼20%Zn),70―30黄 銅(30%Zn),60― 40黄 銅(40%Zn)な どが あげ られ,第 三 元 素 を 添加 し た もの と して は,ネ ー バ ル黄 銅(35∼40%Zn-1%Sn), ア ル ミニ ウ ム黄 銅(22∼24%Zn-1∼3%Al),鉛 入 黄 銅 (33∼42%Zn-0.4∼3.0%Pb)な どが あ るが,JISで 規 定 され て い る板 材 や管 と して は 表 一2の と お りで あ る. 鋳 物 と して は表 一3の ご と く,そ の種 類 も多 いが,切 削 性 を 改 良 す るた め のPb,耐 海 水性 を改 良 す るSnの 添 加 や,組 織 の微 細 化 を 狙 ってFe,Al,Ni,Zr,Tiな ど を 添 加 した もの が あ る.こ れ らCu-Zn系 の利 用 は電 球 口 金,時 計 部 品 な ど の雑 品 か ら,復 水 器,舶 用 機 器 な ど の 耐 海水 材 料 と して の使 用 まで 広 範 囲 に わ た って い る. (4)Cu-Sn系 Cu-Sn合 金 は純 二 元 合 金 で実 用 され る こ とは まれ で, 第 三 金 属 を添 加 した も のが 実用 され る.表 一3にJIS規 格 に定 め られ た各 種 青 銅 鋳 物 を 示 す が,Zn,P,Pbな ど が 添 加 され て い る.そ の 利 用 は貨 幣用 や風 雪 地 帯 の送 電 線 に使 わ れ た り,り ん 青 銅 の ご と く,ば ね,軸 受 け,耐 磨 耗 性 の 要 求 され る機 械部 品 に使 用 され た りす るが,鋳 物 の 場 合 は ほ とん どが 耐 圧,耐 磨 耗 材 と し て 使 用 され る. 3.溶 接 上 の 問 題 点 3.1溶 接 冶金 上 の問 題 点 3.1.1鋼 純 銅 の 溶 接 時 に 発生 す る欠 陥 と して は,溶 着 金属 部 の 割 れ と ブ ロー ホ ー ルが あ る. 純 銅 は 溶着 金属 割れ の懸 念 の 少 な い金 属 の 範 疇 に属 す るが,厚 板 で拘 束 が大 き く,あ る種 の 不純 物 が 存 在 す る 場 合 に は割 れ が 発 生 す る.す な わ ち溶 着 金属 の液 相 と 固 相 の凝 固 温 度 域 を大 き くす るよ うなPb,Bi,Pお よび Asな _{どが 存在 す る と,結 晶粒界の析出物が溶融 して 薄} 膜 段 階で 存 在 す る期 間 が 長 くな り,高 温 割 れ 感 受 性 が 大 き くな る.と くにPb,Biは 図―1,2の 状 態 図 よ り明 図―1Cu-Pb系 状 態 図 図―2Cu-Bi系 状 態 図 ら か な よ うに銅 に ほ とん ど溶解 せず,低 融 点 共 晶 物 を形 成 す る の で,0.05%程 度 の 極 微 量 で も 割 れ を 誘 発 す る5). この 防止 に は ピー ニ ン グが 有 効 と され て い るが,と くに溶 接材 料 の選 定 に際 して じ ゆ う分 注 意 を 払 わ ね ば な ら な い. そ の ほ か,タ フ ピ ッチ銅 な どの よ う に溶 着 金 属 中 の酸 素 含 有 量 の高 い も の は,溶 接雰 囲気 中 よ り多 量 の 水素 を 吸 収 す る と,酸 化 物 の水 素 還元 に よ り生 じた 水蒸 気 に よ って 割 れ を発 生 す る こ とが あ る. つ ぎに溶 着 金 属 に発 生 す る ブ ロー ホ ー ルで あ るが,こ れ に は ガ ス の溶 解 度 の 減少 に よ り生 成 す る もの とガ ス化 合 物 と して 生 成 す る二 種 類 が あ り,ガ ス と して はH2,

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第38巻(1969)第9号973 図―3Cu-O状 態 図 図―4銅 の 水 素 溶 解 度 O2,SO2,COな ど が 関 与 す る 。 前 者 と して は 2H(Liq.Soln)〓H2(gas)… … …(1) CO(Liq.Soln)〓CO(gas)………(2) 後 者 に は 2H(Liq.Soln)+O(Liq.Soln)〓H2O(gas) … … …(3) C(Liq.Soln)+O(Liq.Soln)〓CO(gas)…(4) Cu2S(Liq.Soln)+2O(Liq.Soln)〓SO2(gas)…… …(5) で あ り,こ れ ら の う ちC,Sは 極 微 量 で 問 題 と な ら な い の で,ブ ロー ホ ー ル の 生 成 は(1)お よ び(3)に よ る と 考 え う る. (1)の 反 応 は 図―4の 水 素 溶 解 度 曲 線 よ り明 ら か な よ う に 凝 固 に 際 し て 放 出 さ れ るH2が ブ ロ ー ホ ー ル を 生 成 す る. 酸 素 と 水 素 が 共 存 す る 場 合 は(3)の 反 応 に な る が, 図―3のCu-O状 態 図 よ り,酸 素 を 含 む 溶 銅 は,凝 固 時 に0.036%0ま で 固 溶 し,こ れ 以 上 はCu-Cu2O共 晶 が 析 出 す る.し た が っ てH2が あ る と 4Cu+O2〓2Cu2O…… …(6)⊿ F01083℃=−36Kcal/molO2 2H2+O〓2H2O………(7)⊿ F01083℃=−83K cal/mol O2 こ れ ら よ り,(7)の 反 応 が 優 先 してH2Oを 生 成 す る. H2Oは 固 相 の 銅 に 対 し て 溶 解 度 が ま った くな く,拡 散 速 度 も非 常 に 小 さ い の で,銅 中 で 濃 縮 して ブ ロ ー ホ ー ル と な る8).と く に タ フ ピ ッ チ 銅 で は こ の 反 応 に 基 づ く ブ ロ ー ホ ー ル の 発 生 が い ち じ る し く健 全 な 溶 接 は 難 し い. こ れ ら め 防 止 に は,Mn,Si,Tiな ど の 脱 酸 剤 を 含 む 溶 接 棒 の 使 用 や 高 温 の 予 熱 を 行 な っ て,溶 接 冷 却 速 度 を 緩 慢 に し,脱 ガ ス す る こ と が 有 効 で あ る. さ らに 最近,溶 接 トー チ に 図―5の よ うな装 置 を設 置 し,溶 融 池 に電 磁振 動 を加 え る方 法 が 有 効 な ことが 確 め られ て い る8).こ の場 合,電 磁 振 動 は溶 融池 の ブ ロー ホ ー ルの 生 成 を 促 進 させ_{,か つ 生 成 した ブ ロー ホ ー ルの拡} 散 速 度 を 大 き くす る効 果 が あ るの で,図―6の ご と く ブ ロ ーホ ー ルは い ち じ る し く減 少 す る. 図―5電 磁 振 動 装 置 図―6プ ロ ホー ル に お よ ぼ す電 磁振 動 の効 果 (磁 界 強 さ2000AT/m)

3.1.2銅 合 金 (1)Cu-Al系 Cu-Al合 金 の 溶 接 上,も っ と も問 題 と な る 事 項 は溶 着 部 の 割 れ で あ る.α 単 相 の溶 着 金 属 は 亀 裂 感 度 が 高 く ,と くに 多 層 溶 接で は前 層 ビー ドに 割 れ を み る こ とが 多 い.こ れ は α相 には高 温 で脆 化 域 が 存 在 す るた め で,再 加 熱 な どを受 け る とそ の影 響 を い ち じ る し く受 け る訳 で あ る.こ の高 温 脆 性 はCrな どの 不 純 物 を 極 力 少 く し, さ らにN含 有 量 を 極限 近 くまで 制 限 す る こ とに よ り改 良 され るが,後 述 す る熱 間 靱性 に す ぐれ る β 相 の 混 入 が も っ と も効 果 的 で あ る. Al量 が おお よ そ7%を 越 え る場 合 に は図―7のCu-Al状 態 図 か ら判 る ご と く,高 温 で β相 を析 出 す る こ と に な り,α+β の二 相 組 織 に な る こ とか ら結 晶 粒 は 微 細 化 され,高 温 で 延 性 に 富 む β相 の存 在 と相 俟 って 割 れ 感 受 性 が 減 少 す る こ と に な る.し か し,Al量 の 増 大 と共 に β相 の析出量 も多 くな り,そ の冷 却 過 程 にお いて βは γ2相 の析 出を み る可 能性 が 大 き くな る,た とえ ば,Al 10 %付 近 で は β 相 は冷 却速 度 に よ って 析 出 相 が 変 化 す るが,次 の ご と き分 解 過 程 を経 る こ と に な る. β→β1→β'→α+γ2 す な わ ち,冷 却 速 度 が 早 い と,β → β1,β'に 変 化 した だ け に な るが,冷 却 速 度 が 遅 い と β は 一 部 α+γ2に 変 化 し,き わ めて 冷 却 が 遅 い と βは 完 全 に α+72に 分 解 す る こ と に な る.一 般 に溶 接で は冷 却 速 度が 早 い た め, γ2は 生 じ難 いが,こ の γ2相 は硬 くて 脆 弱 で あ り,溶 着 金 属 の割 れ 感 受 性 を い ち じ る し く上 昇 せ しめ る,と く に多 層 溶 接 にお いて は,前 層 ビー ドは 再加 熱 を受 け て 残 留 β相 か らの γ2析 出 が 起 こ り,ビ ー ド割 れ の発 生 を 促 進 す る こ とに な る 。 こ うい った こと か ら,Cu-Al系 溶 着 金 属 の ビ ー ド割 れ 防 止 には 高 温 で α+β の二 相 組織 を形 成 し,か つ 冷 却 時 の β の分 解 を阻 止 して,冷 却 後,γ2相 の 析 出 を 抑 え る と共 に,残 留 β相が 次 層 ビー ドの溶 接 に よ り再 加 熱 を 受 けて も,β →α+γ2の 変 化 を お こ さな い よ うに す る こ とが 必 要 で あ る. これ らを 満 足せ しめ るた めに は γ2相 の析 出 を抑 え る Ni,Fe,Mnな ど の添 加 が 効 果 的 で あ り,7∼11%AI( 不 活 性 ガ ス),9∼12%Al(被 覆 ア ー ク)に これ ら元 素 を 含 有 す る芯 線 の採 用 が も っ と も好 ま しい.こ の 溶着 金 属 は高 温,低 温 とも に じ ゆ う分 な靱 性 を示 し,多 層 ビ ー ドに よ る再 加 熱 を 受 け て も,残 留 β相 は α+K相(K 相,NiAl,FeAl)と な り,γ2の 生成 は 阻止 さ れ る こと か ら,耐 割 れ性 が非 常 に 向上 す る. 次 にCu-Al系 で 溶接 冶 金 上 の 問 題 とな る の は鋼 材 と の 継 手 溶着 部 に生 成 す るFeの 偏 析 で あ る.こ れ は常 温 に お い てFeとCuが ほ とん ど固 溶 しあ わ な い こ とか ら,主 と して 球 状 にFeが 偏 析 す る もの で,Fe-Cu-A l化 合物 とい われ た り,Feと 共 に肉 盛 部 に 溶込 ん だCが Fe中 に濃 縮 せ られ たCの 多 い 硬 脆 化物 で あ る と い われ た り して い る. いず れ に して も,継 手 部 の 耐 割 れ 性,耐 曲 げ 性 を減 じ,溶 着 金 属 の性 質 を損 う こ とに な る.こ の防 止 策 とし て は溶 込 み の少 い 溶接 法 を採 用 す る か,Feの 偏 析 を起 こ さ な い材 料 を下 盛 りす るか に よ って,そ の 幣害 を防 止 す る こ とが で き る.そ の 他 の溶 接 欠 陥,た とえ ば ブロー ホ ール の 発 生 な ど は不 活 性 ガ ス溶 接 に よれ ば ほ とん ど皆 無 の 状 態 に す る こ とが で き,問 題 は な い. (2)Cu-Ni系 Cu-Ni系 の 場 合,問 題 とな るの は溶 着 部 の 割 れ と ブ ロ ー ホ ー ルで あ る.割 れ は不 純 物 に よ る結 晶 粒 界割 れ, 銅 と 同 じ原 因 に も とず くH2O発 生 に よ る粒 界 割 れ,お よ び溶 着 金 属 の 高 温脆 性 に も とづ く割 れ が あ る.不 純 物 に よ る粒 界 割 れ ばCu-Ni系 が 図―8の ごと く,二 元 固 図―7Cu-Al系 状 態 図 図―8Cu-Ni系 状 態 図

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第38巻(1969)第9号975 図―990-10キ ュ プ ロ ニ ッ ケ ル の 高 温 延 性 溶 合 金 で あ る ことか ら,液 相― 固相 線 間 が 比 較 的長 く, 結 晶 粒 もCu-Al系 の 二相 組 織 の ご と く,小 さ くで き な いた め,発 生 の危 険 度 が 高 い.ま た,Cu-Ni系 は図― 9に 示 す ご と く,高 温 で 延 性 の低 下 す る 領 域 が あ る た め,多 層 溶 接 で は再 加 熱 を受 けて 割 れ を 発 生 す る傾 向 が強 く,大 入 熱 溶 接 は避 けね ば な らな い.ブ ロ ー ホー ル の生 成 防 止 に 関 して は芯 線 中 へ のTiの 添 加 が 効 果 的 で あ る. (3)Cu-Zn,Cu-Sn系 Cu-Zn系 の溶 接 上 の 問 題 は溶 接熱 に よ るZnの 蒸 発 で,溶 着 金 属 は 共 金 を使 用 で き な い.ま た,Cu-Sn系 に お いて も第 三 金属 の添 加 され た ものが 多 いた め,燐 青 銅 を除 いて 共 金 溶接 は あ ま り行 な われ な い. こ うい った ことか ら,こ れ ら材 料 の溶 接 に お い て 問題 とな る のはCu-Zn系 の場 合 の 継 手 母 材 のZnの 蒸 発 と,Cu-Zn,Cu-Sn系 両 者 に 通 じて いえ る第 三 金 属 の添 加 に よ る母 材 の 溶接 性 の劣 下 で あ る.後 者 の 例 と して鉛 入 青 鋼 な どが あ げ られ るが,溶 接 に よ って 熱 影 響 を受 け た部 分 は低 融 点のPbが 偏 析 し,割 れ を発 生 しや す い. 溶 着 金 属 に つ い て は,そ の要 求 され る継 手 性 能 に も と つ いて 適 宜 選 定 され る が,一 般 に 溶 接性 の良 い も のを 採 用 す るた め,さ ほ ど問題 は ない. 3.2溶 接 施 工 上の 問題 点 3.2.1銅 溶 接 施 工 上,も っと も問 題 とな る点 は予 熱 で あ る.す な わ ち,銅 は炭 素鋼 の約8倍 以上 の熱 伝 導 度(338K cal /mh℃)を 有 す るの で,溶 接 に際 して 局 部 的 に加 熱 され 難 く,じ ゆ う分 な とけ こみ を う るに は高 温 の予 熱 を必 要 とす る.と くに厚 板 の 場合 に は,約400∼500℃ の予 熱 を必 要 とす るが,こ の よ うな条 件 下 で溶 接 作業 を 行 な う こ とは き わめ て 困 難 で,健 全 な溶接 を 期 し難 く,予 熱 温 度 の 低 減 は,溶 接 施 工 上 きわ め て重 要 で あ る. 不 活 性 ガ ス ア ー ク溶 接 の場 合,シ ー ル ドガ ス にN2を 使 用 す る と,N2は 高温 ア ー ク中で 原 子 状 に 熱 解 離 し, これ を 母 材 に 伝 え るの で,Arに 比 べ 深 い溶 け こみが え られ,予 熱 温 度 の 低 誠 に 有効 で あ る. しか し なが ら,MIG溶 接 で 純N2を 使 用 した 場 合 に は,溶 滴 移 行 とな り,溶 接 ビ ー ドが オー バ ・ラ ップ状 と な り,融 合 不 良 を 誘 発 しや す く,ま た ブ ロー ホー ル の発 生 も多 い.半 ス プ レー 状 の 金属 移 行 と な る20∼33%N2 +残Arシ ー ル ドに よ れ ば,・健 全 な溶 接 が で き る. 溶 け こみ 深 さに 及 ぼ すNZの 影 響 は 図―10の ご と く で,溶 接 条 件(電 流,電 圧 お よび 溶 接 速 度)が一 定 の 場 合,純NZは 純Arの 約1.8倍(純Acの 予 熱240℃ に相 当),50%N2+50%Arで 約1.5倍(予 熱 約180℃ に相 当)の 溶 け こみが 得 られ る. しか し,図―11の 実 験 結 果 よ り,N2の 影 響 は 板 厚 が 薄 い ほ ど顕 著 で あ るが,板 厚 の増 加 と とも に その 効 果 を 図―10溶 込 み 深 さ と 供 給 熱 量,溶 接 速 度 の 関 係 (母 材:DCup2-1/2H 12mm,ワ イ ヤ:MG 991 1.6φmm)(予 熱 な し) 図―11窒 素― ア ル ゴ ン混 合 組 成 比 と常 数n 1との 関 係

減 ず るの で,ご く厚 板 の場 合 には エ レク トロ ・ス ラグ 溶 接 な ど の活 用 が 必 要 で あ る. 3.2.2銅 合 金 (1)Cu-Al系 溶 接 法 と して 被 覆 ア ー ク,不 活性 ガ ス,潜 弧 溶 接 な ど が あげ られ るが,各 溶 接 法 に対 して適 正 な芯 線,フ ラ ッ ク ス を選 定 しな けれ ば な らな い.被 覆 ア ー ク,潜 弧 溶 接 で は フ ラ ッ クス 中 のMnO,SiO2がAlと 反 応 し,Al の 酸 化 消 損 な らび にMn,Siの 溶 金へ の 移 行 が 起 こ る が, 3MnO+2Al〓3Mn+Al2O3………(8) 3SiO2+4Al〓3Si+2Al2O3………(9) これ らを 見 込 ん でAl量 の 多 い芯 線 を 使 用 す る か,低 MnO,SiO2型 の フ ラ ッ クス の採 用 を 考 慮 す る 必 要 が あ る.不 活 性 ガ ス溶 接 で はAlの 歩 留 りが よ い の で,こ の 点 問 題 は な い. ま た,銅 合 金 一 般 につ い て い え る こ とで あ るが,熱 伝 導 度 が よい こ とか ら,Cu-Al系 同志 の継 手 溶 接 あ るい は,Cu-Al,系 の 鋼へ の 肉盛 溶 接 にお いて 予 熱 が 必 要 と な る.予 熱 の 程 度 は 被 溶 接 物 の寸 法 形 状,継 手 構 造 な ど に よ り変 化 す るが,通 常,100∼200℃ の予 熱,層 間 温 度 を 採 用 す る.溶 込 み に つ いて は 鋼へ の 肉 盛 の 際 に は Feの 偏 析 量 を左 右す る ので,で き るだ け少 な くす る こ とが 必 要 で あ る. (2)Cu-Ni系 溶 接 は被 覆 ア ー ク,不 活 性 ガ ス溶 接 が 主 体 で,潜 弧 溶 接 につ いて は あ ま り研 究 は 進 ん で い な い.芯 線 は70-30, 90-10キ ュ プ ロニ ッケ ル な どあ るが,溶 着 金 属 は いず れ も高 温 で 脆 性 を 示 す こ とか ら,拘 束 の大 き い多 層 溶 接継 手 で は 割 れ 感 度 が 高 く,と くに 次層 ビ ー ドによ って前 層 ビ ー ドが そ の 影 響 を 受 け や す い.こ うい った こと か ら大 入 熱 溶 接 を さけ,ピ ー ニ ング に よ る応 力 緩 和 や結 晶 粒 の 微 細 化 な ど を行 な う こ とが 推 奨 され る. 70―30,90―10キ ュプ ロニ ッケ ル と鋼 の異 材 継 手 の溶 接 あ る いは 肉 盛 溶 接例 も多 いが,異 材 継 手 で はモ ネ ル ま た は ニ ッケ ルを 溶 加 棒 とす る場 合 が多 く,肉 盛 溶接 に お いて も,こ れ らの下 盛 りを 行 な うと良 好 な結 果 が得 ら れ る.な お,異 材 継 手 の場 合,被 覆 ア ー ク溶 接 は ア ー ク の安 定 が悪 く,TIG溶 接 が の ぞ ま しい. (3)Cu-Zn,Cu-Sn系 Cu-Zn系 で はZnの 蒸 発 に も とず く幣害 を 取 除 くこ とが も っと も肝 要 で あ るが,熱 源 の 集 中 した 溶 接 法 で溶 接 速 度 を大 き くす る こ とが 効 果 的 で あ る.し たが って, ガ ス溶 接 な どは さ け るべ きで あ り,不 活性 ガ ス溶 接 が適 して い る.芯 線 と して は同 材 継 手 で はCu-Si,Cu-Al系 の も の を使 用 す る こ とが 多 く,予 熱 は200∼250℃ で 行 な う こ とが 多 い. Cu-Sn系 は多 くが 鋳 物 品 で,そ の補 修 溶 接 を 行 な う こ とが 多 い が,PやPbを 多 量 に含 有 す る ものは 割 れ感 度 が 高 く,後 者 の場 合 は と くに溶 接 が 難 しい 。燐 青 銅の 場 合 に は,芯 線 は共 金 で よ いが,大 入 熱溶 接 は避 け るべ き で あ り,予 熱,層 間 温度 は150∼200℃ 程 度で 行 な う の が よ い.ま た,キ ュプ ロ ニ ッケ ル と ど うよ う,ピ ー ニ ン グを 行 な う の も効 果 的 であ る

4.溶

接継 手 の諸 特 性

4,1銅 各 種 の純 銅 に対 す るTIG溶 接 継 手 の機 械 的性 質 の 代 表 例 を 表―4に 示 す が,珪 素 脱 酸 棒 を用 いれ ば,良 好 な 結 果 が 得 られ る. 表―4銅 板 のTIG溶 接 継 手 の機 械 的性 質6)

溶

接

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_{第38巻(1969)第9号977}

図―12加

工と再結晶温度の関係

再 結 晶 温 度 は,加 工度 に よ り異 な るが,加工 度 の大 き い場 合 は,図―12の ご と く,約100℃ で起 こ る.し た が って,弓 の よ うな 温 度域 で 長 時 間 加 熱 さ れ た もの は,継 手 強 度 が焼 な ま し材 と同等 に低 下 す る の で,冷 間 加 工 材 を使 用 す る場 合 に は,こ の 点 じ ゆ う分 留 意 しな け れ ば な らな い. つ ぎに溶 接 部 の耐 食 性 で あ るが,結 晶 粒 度 の 影響 が大 き い の で,結晶 粒が 過 大 に粗 晶 化 す る場 合 に は,ピ ー ニ ング の施 行 に よ り細 粒 化 を は か る必 要 が あ る . タフ ピ ッチ 銅 は も と よ り,脱 酸 不 じゆ う 分 でCu-Cu2O共 晶 の 存 在 す る溶着 金属 は,400℃ 以 上 の 水素雰囲気 中 で加 熱 す る と,水 素 侵 食 に よ り粒 界 破 断 を生 ず る.こ の場 合,水 素 ガ ス は,金 属 表面 に お い て,分 子 が 解離 して 原子 と な って 吸着 し,さ らに 銅 中 に拡 散 して, Cu-Cu2Oと 反 応 し,H2Oを 発 生す る. 写 真―1高 温 水 素 浸食 に よ る 粒 界割 れ×1008) Cu2O+2H→2Cu+H2O… … …(10) このH2Oは 水素 の約0.5%の 拡 散 力 しか も た な い た め に,Cu2Oの 還 元 に よ って で きた わず か な空 隙 に蓄 積 され,強 い 圧 力を 生 じ て写 真―1の ご と き,粒 界 亀 裂 を 発生 す る. 4.2銅 合 金 (1)Cu-Al系 Cu-Al系 同 志 の 継 手 溶 接 部 はNi,Fe含 有 の α+β 型 溶 着 金 属 を得 る芯 線 を使 用 す れ ば,溶 接 欠 陥 が な く, 機 械 的 性 質 の す ぐれ た良 好 な継 手 を 得 る こ とが で きる. また,焼 鈍 に よ って も機 械 的性 質 が 大 き く劣下 す る こと も ない.継 手 部 の機 械 的性 質 の代 表 例 を 表―5に 示 す. Cu-Al系 と鋼 との異 材 継 手 溶 接 で は,同 材 継 手 と ど うよ う,芯 線 の 適 正 な選 定 が 必 要で あ るが,た と え ば 肉 盛 溶 接 や ク ラ ッ ド鋼 の溶 接 な ど にお い て は 鋼側 の粒 界 に 溶 融 銅 が 侵 入 す る粒 界割 れ やFeの 偏 析 が必 ず お こる. この た め,一 般 に 肉 盛溶 接 で は浅 溶 込 み の 自 動MIG 溶 接 を 使 用 す る ことが 多 く,Feの 混 入 量 を 最 小 限 に 押 え て 良 好 な 肉 盛継 手 を得 て い る. なお,肉 盛 部 の焼 鈍 後 の機 械 的 性 質 で あ るが,as weld で α+β の もの が焼 鈍 に よ って,残 留 βが β→α+Kに 変 化 し(焼 鈍 は 溶接 中 の次 層 ビー ドの再 加 熱 と異 な り, 一 定 時 間 保 持 す る た め 変 態 は じゆ う分 に進 行 す る),K 相(FeAl, NiAl)の 析 出時 効 をみ る よ うに な る.こ の析 出 時 効 は500℃ 付近 の低 温 焼 鈍 で い ち じ る し く,十 分 な 曲 げ延 性 の得 られ な くな る ことが 多 い.600℃ を 越 え ると過 時 効 の状 態 に 入 り,硬 度 が 減少 し,延 性 を 回 復 す る. 写 真―2は 肉盛 部 の 焼鈍 と機 械 的性 質 の関 係 を 示 す. 潜 弧溶 接 継 手 に つ いて は,Alの 消 損量,Feの 偏 析 な どを如 何 に して 最 少 限 に くい とめ る か,あ るい は,溶 接 作 業性(ア ン ダ ー カ ッ トな どを生 じ やす い)を どの よ う に して 向上 せ しめ るか な ど課 題 は 多 い. (2)Cu-Ni系

表―5銅

合金溶接継 手部 の機械的性質

写 真―2ア ル ミニ ウム青 銅 肉盛 溶 接 部 の 曲 げ延 性 写 真―3 70-30キ ュ プ ロ ニ ッ ケ ル 肉 盛 溶 接 部 の 曲 げ 延 性 Cu-Ni系 同志 の継 手溶 接 は 被 覆 ア ー ク,不 活 性 ガ ス 溶接 と も共 金 溶 接 で,表―5に 示 す ご と く,欠 陥 の な い 良 好 な継 手 部 を 得 る ことが で き る.Cu-Ni系 と 鋼 と の 異 材 継 手 で はCu-Ni系 の芯 線 を 使 用 す る と亀 裂 感 度が 高 く,割 れ を 発 生 す る こと が 多 い.と くにFeの 希 釈 量 が 多 い と きに その 傾 向 が 強 い.肉 盛 溶 接 も ど う よ う で,自 動 溶 接 に よ り希 釈量 を最 少 限 に抑 え た 場 合 は良 好 な 肉 盛 部 が 得 ら れ,曲 げ 延 性 も十分 で あ る が,も っ と も 安 全 な 方 法 は モ ネ ル ま た は ニ ッ ケル を下 盛 り す る こ とで あ る 、 写 真―3は70―30キュ プ ロ ニ ッ ケ ル肉 盛 部 のss weldで の 曲 げ 試 験 結 果 を 示 す.ま た,70―30キュ プ ロ ニ ッケ ル ク ラ ッ ド鋼 の 継 手 溶 接 部 の 曲 げ 試 験 結 果 も 肉 盛 部 と 同 じ 傾 向 を 示 す. 3)Cu-Zn,Cu-Sn系

溶

接 学

会 誌

第38巻(1969)第9号979 Cu-Zn,Cu-Sn系 と もに 同材 継 手 の 溶 接 が ほ と ん ど で あ る.Cu-Zn系 につ いて は,溶 加 棒 はCu-Si,Cu-Sn,Cu-Al系 の な か か ら,継 手部 に要 求 さ れ る 耐 食 性 あ るい は,機 械 的性 質 を満 足 す る もの が 選 ば れ るが,表 一5の ご と く_{,不 活 性 ガ ス溶 接 に よ り良 好 な継 手部 が得} られ る. Cu-Sn系 は鋳 造 品が 多 い が,鉛 青 銅 鋳 物 の ご と く,. 割 れ 感 受 性 の商 い ものが あ り,第 三 元 素 の種 類 に よ って 溶 接 構 造 を 避 け るべ き もの が 多 い. 終 りに本 稿執 筆 に 際 して,有 益 な る ご意 見 を頂 い た大 阪 大 学 工 学 部助 教 授新 成 夫 博 士 に対 し,深 甚 の謝 意 を表 します.

参

考

文

献

1) "Copper and Coppe Alloys", ASM, Metal Handbook, 1961, p. 1007•`1012

2) 金 属 材 料 と加 工 技 術 講 座3.非 鉄 材 料 の 選 定 と加 工,地 人 書 館, 1966. p. 80∼81

3) 椙 山正 孝:"ア ル ミニ ウ ム青 銅鋳 物 の 組 織 と諸 性 質"鋳 物, Vol. 34, No. 2, p. 48∼49

4) J. Hindo, "Cupro Nickels", Metal Industry, 1962, No. 8, p. 147

5) ヴ ェ ヴ ェ ・ボ ドガ エ ッキ ー"銅 の サ ブ マ ー ジ ア ー ク溶 接 性 に 及 ぼ す 合 金 元 素 の 影響"自 動 溶 接(ソ), 1962. No. 6, p. 54∼62

6) J.J. Chyle, "The Welding of Copper by the Inert-Gas Metal-Arc Process", W. J. Vol. 31 (1952), No. 8,

p. 663•`686

7) "Gases in Nonferrous Metals and Alloys", ASM, Gases in Metals, 1953, p. 23•`26

8) 西 尾 安 弘,他:"高 純 度 銅 の溶 接 につ い て"第19回 溶 接 法 研 究 委 員 会 資 料, SW-19-68

9) N.C. Ashton Ltd., "The Welding of Aluminium Bronge"

10) J.F. Lancaster and D. Slater, "The Cracking of Aluminum Bronge", B.W.J. Vol. 5 (1958), No. 5, p. 238•`244

11) 野 田,大 谷,他:未 発 表

12) The ASTM-ASME joint Commitee, "Elevated Tem-perature Properties of Copper and Copper-Base Alloys", ASTM, STP, No. 181, p. 187

13) V. Abrarich, "Cupro Nickel Welded with Aluminum Bronze", W.J. Vol. 37 (1958), No. 3, p. 220•`224 14) L.H. Hawthorne, "Inert Arc Welding of 90-10 Cupro

Nickel", W.J. Vol. 32 (1953), No. 1, p. 31•`36 15) E. Davis, "Inert Arc Welding of Copper", B.W.J.

Vol. 1 (1954), No. 2, p. 53•`64

16) J.G. Young, "Argon-Nitrogen Mixtures for the Self-Adjusting Arc Welding of Copper", B.W.J. Vol. 3

(1961), No. 7, p. 349•`353 17) 一 海 俊 景.他:"銅 の窒 素 また は 窒 素 一 アル ゴ ン 混 合 ガス シ ール デ イ ング ア ー ク溶 接 につ い て",第25回 溶 接 法 研 究 委 員 会 資 料, SW-226-69 18) イ ・イ ・ル イ チ コ,他:"銅 厚 板 の エ レ ク トロ ス ラグ 溶 接",自 動 溶 接(ソ), 1967, No. 10, p. 80

19) H. Robinson and J.H. Berryman, "Aircomatic Welding of Copper Base Alloys", W.J, Vol. 30 (1951), No. 1, p. 7•`24

20) 今 井 弘:銅 及 銅 合 金,共 立 社 21) 中 島正 樹,他:未 発 表 22) 西 尾 安 弘 他:未 発 表